Abstract
Diese Arbeit stellt ein neuartiges Systemkonzept zur Durchführung von Überwachungs- und Inspektionsaufgaben mit Hilfe mobiler Sensorik (mobiler Roboter) vor. Bei der Realisierung von Teilen der mobilen Sensorik, wie z.B. der Aufbau einer reaktiven Navigationkomponente, sind Ansätze verwendet worden die Analogien in der Natur besitzen. Das Überwachungskonzept basiert auf mobilen Robotern, die mit unterschiedlichen Sensoren ausgerüstet, bei einer Überwachung oder Inspektion anfallende Routineaufgaben übernehmen, wie z.B. das Sammeln von Informationen an vorgegebenen Meßpunkten oder die Überprüfung ob alle inventarisierten Gegenstände in einem Raum vorhanden sind. Die mobilen, teilautonom arbeitenden Plattformen kooperieren dabei mit einem Operateur, der sich an einem entfernten Leitstand befindet. Hierbei sind die Aufgaben folgendermaßen verteilt: Der Operateur übernimmt globale Planungsaufgaben sowie die Koordination und Kontrolle der von der mobilen Sensorik durchgeführten Aufgaben. Vom Robotersystem werden alle anfallenden Standardaufgaben bearbeitet und durchgeführt, wie der Aufbau eines Weltmodells, die Routen- und Teile der Aktionsplanung sowie die Navigation der Plattform. In diesem Systemkonzept kommt den mobilen Robotern eine besondere Bedeutung zu. Aus diesem Grund wird deren Aufbau besonders betrachtet.
Dem gesamten System liegt eine blackboard-orientierte, hierarchische Systemarchitektur zugrunde. Diese leicht erweiterbare Architektur unterstützt, im Gegensatz zu herkömmlichen rein hierarchischen oder verhaltensorientierten Ans"atzen, besonders die oft bei Inspektionsaufgaben auftretende Notwendigkeit, Module einer geänderten Aufgabe anzupassen oder neue Module für neue Aufgaben in das System zu integrieren. Die einzelnen Module sind als selbständig agierende Agenten realisiert, die über ein zentrales Blackboard ihre Dienste dem restlichen System zur Verfügung stellen, oder, wenn sie zur Bewältigung ihrer Aufgaben die Dienste anderer Agenten benötigen, deren Dienste anfordern. Dieser Aufbau ist vergleichbar mit einem zentralen ''Gehirn'' welches die einzelnen Teilaufgaben und Teilsysteme koordiniert. Zur Durchführung der Inspektionsaufgabe werden Agenten für die Umweltmodellierung, Routen- und Aktionsplanung, Navigation, Kommunikation mit dem Operateur sowie zur Ansteuerung der Hardware verwendet.
Alle für die mobile Plattform sowie den Operateur notwendigen Informationen über die Umwelt, in der sich die Plattform befindet, sind in einem hierarchisch aufgebauten Weltmodell gespeichert. Dieses bietet, anders als die zur Zeit verwendeten Modelle die Möglichkeit zur Generierung einer virtuellen Welt und bildet somit die Basis für eine vereinfachte dreidimensionale künstliche Sicht der Umgebung (virtuelle Welt) über die der Operateur mit dem System interagieren kann. Ungenaue Sensor- und Positionsdaten werden vor der Übernahme der Daten in das Weltmodell durch einen Vergleich mit bereits gesammelten Wissens ggf. korrigiert und verbessert.
Auf Grundlage dieses Weltmodells erstellt ein dynamischer, situationsabhängiger Planer nach Vorgabe der durchzuführenden Aufgabe einen hierarchischen Plan. Im Gegensatz zu anderen bei mobilen Robotern verwendeten Planern werden die konkreten Trajektorien nach einer Auswertung der vorliegenden Situation erst bei Bedarf berechnet. Unbekannte Gebiete und potentielle Gefahrenbereiche werden, wenn es möglich ist, bei der Planung berücksichtigt und nicht durchfahren. Falls diese Gebiete dennoch durchfahren werden müssen, so wird ein möglichst kurzer Aufenthalt in ihnen angestrebt. Durch den verwendeten Planer kann bereits vor Fahrtantritt geklärt werden, ob die an das System gestellte Aufgabe zu erfüllen ist.
Die berechnete Trajektorie wird im Anschluß an die Planung von einer reaktiven auf Reflexen basierende Navigationskomponente, welche auf einem verhaltensorientierten Ansatz beruht, abgefahren. Die Idee hierbei ist, daß sich das gewünschte Roboterverhalten aus der Kombination eines oder mehrerer Grundverhaltensmustern zusammensetzt. Durch einen ähnlichen Ansatz lassen sich in der Natur beobachtbare Verhalten einfacher Lebewesen beschreiben. Realisiert sind die verwendeten Verhaltensmuster mit Hilfe von Fuzzy-Logik. Die hierbei verwendete Regelbasen setzen sich aus einfachen Regeln, wie ''wenn vorne links ein Hindernis, dann weiche nach rechts aus'' zusammen. Durch die direkte Kopplung zwischen Sensoren und Aktoren entstehen ''Reflexe'' wie sie auch im Tierreich zu beobachten sind. Somit sind schnelle Reaktionen auf plötzlich auftretende Objekte, die sich noch nicht im Weltmodell befinden, möglich. Diese Objekte können dann umfahren und ihre Abmessungen archiviert werden.
Michael Pauly. Steuerung teilautonomer Roboter. BMBF-Fachtagung: Von der Natur lernen - Informationen in Natur und Technik, 13.-14. Mai, Göttingen, 1998.